Historie výzkumu řízené termojaderné fúze

Historie výzkumu řízené termojaderné fúze

Historie
výzkumu řízené
termojaderné fúze
věda 14
kolem
nás
co to je…
Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i.
(www.ipp.cas.cz)
Předmětem činnosti ÚFP je výzkum a aplikace čtvrtého skupenství hmoty – plazmatu. Výzkum zahrnuje jak experimentální, tak i teoretické studium vysokoteplotního plazmatu a jaderné fúze, laserového plazmatu, nízkoteplotního plazmatu
a plazmové chemie, materiálového inženýrství a optické diagnostiky. Nedílnou
součástí tohoto výzkumu je vývoj potřebných diagnostických metod a vyhledávání
možností aplikačního využití plazmatu. ÚFP dále získává, zpracovává a rozšiřuje
vědecké informace, poskytuje vědecké posudky, stanoviska a doporučení a ve spolupráci s vysokými školami uskutečňuje doktorské studium a vychovává vědecké
pracovníky.
ÚFP se zabývá výzkumem v řadě oblastí:
• fyzika vysokoteplotního plazmatu a termojaderná fúze; ústav provozuje velkou
výzkumnou infrastrukturu „tokamak COMPASS“; v rámci programu EURATOM koordinuje výzkum řízené termonukleární fúze v ČR;
• impulzní plazmové systémy s možným využitím v medicíně (bezoperační likvidace tělních kamenů a tkání), v ekologii (odstraňování nežádoucích organických
nečistot z vody a plynů), v elektronice (např. RTG litografie);
• vývoj světově unikátních plazmatronů s vodní a hybridní (plyn–voda) stabilizací
pro plazmové technologie (předchozí verze byly instalovány u několika firem
v Japonsku, USA a Belgii): nástřiky, destrukci odpadů a zplynování organických
látek s produkcí vysoce kvalitního syntetického plynu;
• materiálové inženýrství využívá termické plazma jako nástroj k tvorbě ochranných povlaků, samonosných keramických prvků nebo funkčně gradovaných materiálů; studuje vliv plazmatu na vlastnosti konstrukčních materiálů;
• velká výzkumná infrastruktura „Laser PALS“ je využívána nejen ke generaci
a studiu laserového plazmatu, ale i pro širší oblast témat, která potřebují k realizaci vysoce výkonný laser; současně je školicím pracovištěm pro projekty ELI
a HiPER;
• Centrum TOPTEC je zaměřeno na výzkum a vývoj speciální optiky a optických
a jemnomechanických systémů; jeho nejmodernější špičkové vybavení umožňuje
řešení projektů od návrhů, analýz a simulací po velmi přesnou výrobu a testování.
Všechna oddělení ústavu jsou připravena pro spolupráci na domácí i mezinárodní
úrovni jak v oblasti řešení vědeckovýzkumných úkolů, tak při přípravě studentů
a mladých vědeckých pracovníků.
Úvod
Historie řízené termojaderné fúze byla popsána v mnoha knížkách. Autoři pochá­
zejí z bývalého Sovětského svazu, Spojeného království či Spojených států ame­
rických, žádný není ze čtvrté země. Jmenované státy byly a jsou protagonisty vý­
zkumu fúze, a tak původ autorů nepostrádá logiku. Každý z nich je ovšem pánem
na svém dvorku a jakmile zabrousí k sousedovi, tak buď úmyslně, nebo nechtě má
zkreslené nebo dokonce chybné informace.
Československá fúzní věda téměř třicet let velmi úzce spolupracovala se So­
větským svazem a od roku 1999 se Česká republika oficiálně zapojila do fúzní
Evropy. Shodou okolností jak v prvém, tak ve druhém případě jsme měli štěstí, že
se jednalo o vedoucí tým probíhajícího fúzního mistrovství světa. Tato situace přeje
autorovi, který může být, na rozdíl od zmíněných, poměrně nestranným. Železná
opona byla totiž stažena i mezi spojenci Spojenými státy a Spojeným královstvím.
Útlá brožurka nemůže přinést výčet a popis všech zatáček fúzního bádání, ale
může být návodem, kterým směrem se vydat při odbočení z fúzní dálnice do méně
projasněného terénu.
První část brožurky popisuje vývoj ve třech zemích odděleně, neboť i bádání
politika rozdělila do třech „laboratoří“: Spojeného království, Spojených států ame­
rických a Sovětského svazu. Po definitivním pádu fúzní opony v roce 1958 do suve­
rénního vítězství sovětského zařízení tokamak v roce 1968 bylo deset let naplněno
rostoucí výměnou informací vrcholící zahájením stavby mezinárodního tokamaku
ITER v roce 2007.
Kantrowitz a Jacobs 1938
V roce 1936 se Arthur Kantrowitz, mladý zaměstnanec National Advisory Commit­
tee for Aeronautics ve vojenské letecké základně Langley Field ve Virginii, a jeho
šéf Eastman Jacobs divili, k čemu potřebuje Westinghouse Van de Graaffův gene­
rátor vysokého napětí.
„Snad ne k uvolňování energie jádra?“ Hans Bethe v Reviews of Modern Physics
publikoval seznam známých slučovacích jaderných reakcí. Kantrowitz se okamžitě
rozhodl: „Zkusím vyrobit plazma o teplotě středu Slunce a uvidím, zda se jádra
stejně jako na Slunci budou slučovat! “ Zvolil fúzi deuteria s deuteriem.
Tu se stalo z dnešního pohledu něco zcela neuvěřitelného. Kantrowitz navrhl
plazma zahřát mikrovlnami, od stěn vakuové nádoby oddělit magnetickým polem
a nádobu zvolil ve tvaru toroidu!
Kantrowitz odhadl rozměry toroidu a vyšla mu vakuová nádoba velikosti v bu­
doucnosti dosti vzdáleného tokamaku TFTR – Tokamak Fusion Test React­or! Vy­
cházel z energie uvolněné při D–D reakci, vnějšího ohřevu mikrovlnami a ztrát ener­
gie způsobených klasickou difuzí, jinými slovy spočítal si breakeven. V roce 1938!
Reakci deuterium–tritium Betheho článek neobsahoval, dokonce ani samotné
deuterium nebylo na trhu a Kantrowitz se rozhodl nahradit deuterium vodíkem.
Jacobs při návštěvě vedení společnosti NACA (National Advisory Committee
for Aeronautics, předchůdce NASA) ve Washingtonu využil své autority objevitele
a získal pro Kantrowitze 5000 amerických dolarů.
(Ivan Havlíček)
Kantrowitzův torus svařený z leteckých plechů půl palce tlustých měl slušné roz­
měry: 4 stopy napříč (3,6 m), 18 palců hluboký (46 cm). Vakuová komora byla opatře­
na okénkem. Vodíkové plazma chtěl Kantrowitz ohřát rozhlasovým vysílačem o vý­
konu 150 W. Kolem toroidální nádoby omotal kabely používané k napájení aerody­
namického tunelu. „Cívky toroidálního pole“ měly izolovat plazma od stěn vakuové
nádoby. Výkon proháněný cívkami dosáhl několika stovek kW. Nadšený Kantrowitz
stavěl své zařízení na plný úvazek a večer mu pomáhal jeho šéf Eastman Jacobs.
Pionýrskou dobu výzkumu fúze dokumentuje to, jak hledali vakuové netěsnosti.
Zahájili metodou automechanika, který hledá otvor v pneumatice pomocí mýdlo­
vých bublin, a teprve později použili zárodek heliového hledače a „netěsnost“ zale­
pili emailovou barvou!
Asi po dvou měsících hledání netěsností omotali komoru kabelem, napustili do
toroidální komory vodík a zapnuli zdroje. Oknem viděli modré doutnavé světlo sle­
dující magnetické siločáry. Ozářili zubní rentgenový film a Jacobs, který měl doma
temnou komoru, film vyvolal a volal Kantrowitzovi: „Na fotografii nic není!“
Kantrowitz a Jacobs usoudili, že plazma nebylo dostatečně horké. Zvětšili vý­
kon vysílače a plazma se začalo chovat nepochopitelně. Kantrowitz zřejmě objevil
nestability plazmatu!
Po několika měsících pokusů je náhodou navštívil George Lewis, šéf NACA.
Lewis viděl hliníkovou troubu s okénkem obalenou kabelem připojeným na zdroj
pro aerodynamický tunel, rozhlasový vysílač, vakuovou pumpu chráněnou skleně­
ným akváriem, ale co neviděl, to byly výsledky. Verdikt byl nasnadě – další činnost
obou nadšenců skončila.
Co to je…
Historie výzkumu řízené termojaderné fúze
2–3
Později byl Kantrowitz několikrát pozván k účasti na projektu Manhattan, ale
vždy odmítl.
Nicméně v březnu 1939 přihlásili Kantrowitz a Jacobs patent „Diffusion Inhi­
bitor“ = omezovač difuze; Objev se týká metody a prostředků, jak zabránit úniku
tepla... Zjistili jsme, že použití magnetického pole zmenšuje difuzi nabitých částic.
Na obrázku je torus omotaný magnetickou cívkou takovým způsobem, že ohří­
vané plazma by mohlo být zachyceno a udržováno uvnitř vakuové komory tak, že
se nedotýká stěn. Patent jim ale nebyl udělen.
Kantrowitz později navrhoval řízené střely, Jacobs křídla o nízkém odporu pro
letadla P-51 a B-29. Ani jeden se k fúzi už nevrátil.
Sovětský svaz
Sovětský svaz sice porazil fašistické Německo, ale za cenu totálně rozvrácené eko­
nomiky. Když přičteme čistky, které Velké vlastenecké válce předcházely, nezastih­
la poválečná léta Sovětský svaz v optimální kondici. Horká válka skončila a za­
čínala se objevovat její „mírová“ varianta – válka studená. Spojené státy demon­
strovaly na obyvatelích japonských měst Hirošimy a Nagasaki vlastnictví hrozné
zbraně – atomové pumy – a Sovětskému svazu nezbývalo nic jiného, než připravit
své válečné spojence o jaderný monopol, ačkoli se šéfkonstruktér sovětské A-bomby
Igor Kurčatov vyjádřil o svržení atomových bomb na Hirošimu a Nagasaki jako
o „odporném, cynickém a nelidském činu“.
Poválečná léta v Sovětském svazu nebyla rozhodně dobou, kdy by jeho vědecká
elita přemýšlela, jak využít procesy probíhající na Slunci – termojadernou fúzi –
pro civilní účely. Zato na vodíkové bombě se pracovalo více než usilovně. Byly to
nevypsané závody mezi Spojenými státy a Sovětským svazem.
Elita na civilní využití termojaderné fúze skutečně čas neměla, ale seržant Rudé
armády Oleg Alexandrovič Lavrentěv, patřící do Tichomořské flotily, čas měl…
Neuvěřitelný příběh seržanta Rudé armády Olega Lavrentěva začal na Dálném
východě, kde očekával demobilizaci. Bez vysoké školy napsal v roce 1950 dopis
ÚV KSSS, ve kterém načrtl konstrukci vodíkové bomby s pevným deuteridem li­
thia a termojaderného reaktoru na principu elektrostatického udržení. Dopis do­
stal k posouzení D. Sacharov.
Sacharova nápad mladého seržanta O. A. Lavrentěva zaujal. Poprvé se setkal s ja­
dernou reakcí ve zředěném plynu, byť ionizovaném – v plazmatu. Dosud byl zvyklý
na hustoty větší než hustota pevné látky. Dvaadvacátého října 1950 v kanceláři Prv­
ní hlavní správy generála KGB (Komitet gosudarstvenoj bezopasnosti) N. I. Pavlova
A. D. Sacharov a I. J. Tamm seznámili s ideou řízeného termojaderného slučování
v plazmatu izolovaném magnetickým polem I. N. Golovina, zástupce ředitele LIPAN
(Laboratorija izmeritělnych priborov Akaděmiji nauk – dnešní Kurčatovův ústav
pro atomovou energii). Od něho byl už jen krůček k řediteli LIPAN, I. V. Kurčatovovi.
A. D. Sacharov a I. J. Tamm, nehledě na časově náročnou práci týkající se vodí­
kové bomby, vypracovali návrh „Magnetického termojaderného reaktoru“ (MTR),
který předložili na konci října 1950 svému vedoucímu I. V. Kurčatovovi. Název
MTR pochází od I. J. Tamma, který zamítl Sacharovovu verzi „Toroidální termoja­
derný reaktor“ s tím, že jeho název je obecnější.
Na tomto místě je vhodné připomenout, že o magnetické izolaci plazmatu ve vo­
díkové bombě se zmiňují materiály, které poskytl Sovětskému svazu Klaus Fuchs
19. září 1945. Obsahovaly výtah přednášek Enrica Fermiho o vodíkové bombě,
v němž se mluvilo o magnetickém poli jako o způsobu, jak zmenšit tepelnou vodi­
vost plazmatu.
Při práci na vodíkové bombě v Los Alamos roku 1946 skupina Teller, Fermi, Tuck
a Ulam uvažovala o řízené termojaderné fúzi a o magnetickém poli jako izolantu
termojaderného plazmatu 100 miliónů stupňů teplého v toroidální komoře. Toroi­
dální tvar sice eliminuje ztráty částic otevřenými konci válcové nádoby, ovšem, jak
poznamenal Fermi, za cenu toroidálního driftu způsobeného nehomogenitou mag­
netického pole toroidálního solenoidu. Toroidální drift vrhá plazma na stěny komo­
ry a tím ho likviduje. Na základě výpočtů Teller spočítal, že ztráty včetně toroidál­
ního driftu jsou tak veliké, že konstrukce fúzního reaktoru není možná.
Ne tak Sacharov, který při návštěvách LIPAN přemýšlel, jak drift částic kolmý
k ploše toroidu odstranit (stabilizace toroidálního driftu). Napadlo ho stočit siločá­
ry magnetického pole do šroubovice a nechat částice během jejich cesty toroidem
střídat pozici uvnitř a vně toroidu. Jinými slovy oblast slabého a silného magne­
tického pole. K tomu potřeboval druhé magnetické pole kolmé na stávající pole
vnějších cívek. Sečtením obou polí by pak vzniklo požadované šroubovicové pole.
Angličané jedou změřit teplotu na tokamaku T-3A
(archiv autora)
Co to je…
Historie výzkumu řízené termojaderné fúze
4–5
Sacharov navrhl dvě možnosti, jak do toroidální vakuové nádoby toroidální elek­
trický proud – generátor poloidálního pole – zavést:
• do vakuové komory instalovat pevný vodič elektrického proudu, nebo
• elektrický proud ve vakuové komoře vybudit indukcí (bez přítomnosti pevného
vodiče).
Rovnováhu plazmového prstence hodlal zajistit měděným obalem (kožuchem)
s příčnými (vstup toroidální EMS) a podélnými (vstup magnetického pole) štěrbi­
nami.
Koncem ledna 1951 svolal Kurčatov v KB-11 (Konstruktivnoje bjuro 11) semi­
nář ohledně MTR pro vedoucí výroby vodíkové bomby a po kladné odezvě překva­
peného auditoria (nikdo netušil, že v Sovětském svazu výzkum termojaderné fúze
probíhá a už vůbec ne v tak velkém měřítku) sepsal návrh výzkumu řízené fúze na
MTR pro vládu. V únoru 1951 návrh obdržel L. P. Berija.
Druhý „nesystematický“ impuls – první přišel od příslušníka Tichomořské flo­
tily ze Sachalinu – vyslala Argentina. V dubnu 1951 vtrhl do pracovny Kurča­
tova ministr elektrotechnického průmyslu D. V. Jefremov s novinami se zprávou
o „úspěšném“ výzkumu Ronalda Richtera na argentinském ostrově Huemul: „Uvol­
nění jaderné energie bez použití uranového paliva.“ Kurčatov informoval Beriju.
Berija okamžitě svolal schůzi, kde se dohodly organizační podrobnosti, jak „odpo­
vědět“ Argentině.
Vedoucím projektu „O provedení vědeckovýzkumných prací s cílem objasnit mož­
nost stavby magnetického termojaderného reaktoru“ byl jmenován L. A. Arcimovič
(2/3 pracovního času stále věnoval elektromagnetické separaci izotopů pro atomo­
vé nálože). Teoretickou část projektu dostal na starost M. A. Leontovič. Předse­
dou Rady MTR se stal I. V. Kurčatov, A. D. Sacharov a I. J. Tamm obsadili mís­
ta náměstků – konzultantů. Ustanovení obsahovalo i termín ukončení projektu:
1. října 1952. Berija se s nikým nemazlil!
Osobnost Arcimoviče vyžaduje stručnou informaci. S termojadernou fúzí vyjel
do zahraničí poprvé v roce 1957 na Astrofyzikální konferenci do Stockholmu na
pozvání významného astrofyzika Hannese Alfvéna. Prezentoval „svoje“ od roku
1955 utajované Lawsonovo kritérium. Faktem je, ze Kurčatov nedovolil Arcimovi­
čovi účast na druhé ženevské konferenci, ani ho v roce 1959 nepustil do Anglie na
pozvání Sira Johna Cockcrofta. Po smrti Kurčatova si Arcimovič zchladil žáhu na
Američanech roku 1961 na II. Konferenci o fyzice plazmatu a řízené termojaderné
fúzi v Salcburku, kde s gustem jemu vlastním vytkl chyby v prezentacích Frede­
rica Coensgena a Richarda Posta z Livermoru. Uražení Američané žádali omluvu,
načež Arcimovič odvětil, že nejsou v ústavu pro výchovu šlechtičen (institut blago­
prijatnych děvic), aby jeden druhému skládali komplimenty. Arcimovič se ve světě
stal po zásluze fúzní osobností číslo jedna.
Stalin podepsal usnesení vlády o projektu 5. května 1951. První státem podporo­
vaný výzkum fúze byl na světě. Díky I. J. Tammovi a A. D. Sacharovovi. Díky Olegu
Alexandroviči Lavrentěvovi. A díky Ronaldu Richtrovi.
Ronald Richtr se narodil ve Falkenau am Eger, což není nikde jinde než v So­
kolově nad Ohří. Jeho kariéra se dotkla Prahy, kde v roce 1935 vystudoval na
Německé univerzitě. Po válce se objevil v Argentině, kde mu prezident Juan Perón
na projekt Huemul poskytl 300 miliónů amerických dolarů (hodnota roku 2003).
Arcimovičova sborná: Zleva I. S. Muchovatov, S. V. Mirnov, L. A. Arcimovič, V. S. Strelkov.
Vzadu: tokamak T-3A
(archiv autora)
Pro srovnání – Lyman Spitzer a James Tuck dostali v USA na stelarátor resp. na
Perhapsatron po 50 000 dolarů. V dubnu 1951 Perón na tiskové konferenci pro­
hlásil, že díky argentinskému vědci (Richter neuměl slovo španělsky) zvládla
Argentina řízenou termojadernou fúzi… Zpráva nebyla pravdivá, nicméně „zapáli­
la“ státem podporovaný výzkum jak v SSSR, tak v USA.
Sacharovův toroidálně stabilizační elektrický proud v plazmovém prstenci byl
buzen indukčně. V tento okamžik si někteří výzkumníci v Kurčatovově ústavu řek­
li, že vlastně žádné magnetické pole vnějších cívek nepotřebují, a začali studovat
„čisté“ pinče, které se řídily Bennetovou formulí
T = J2 / (4c2N)
{1}.
Sacharovovými resp. Tammovými myšlenkami se řídila pouze malá skupina ko­
lem I. N. Golovina a N. A. Javlinského.
Zda byl zájem o pinče v LIPAN iniciován zpoza železné opony, jsem se v azbukou
psané literatuře nikde nedočetl. Moskva se o tom nikde nezmínila, zatímco Západ
ano. Zdá se to nanejvýš pravděpodobné – časově se výbuch zájmu Moskvy o pinče
shoduje s pinčovým boomem na Západě a Fuchsovou špionážní aférou v roce 1950.
V roce 1952 se už v LIPAN provozovaly hlavně pinče, na jejichž lineárních verzích
Šafranov sestavil svoje známé kritérium:
q = (Bt × rp) / (Bp × Rt) > 1
{2},
kde Bt resp. Bp jsou toroidální resp. poloidální magnetická pole a rp resp. Rt jsou
vedlejší resp. hlavní poloměr plazmatu.
Co to je…
Historie výzkumu řízené termojaderné fúze
6–7
Čtvrtého července 1952 skupina vedená N. V. Filipovem na deuteriovém pinči za­
registrovala neutrony. Počáteční euforii zchladil L. A. Arcimovič: neutrony nebyly ter­
mojaderné. Studium pinče opustilo v Moskvě termojaderné ambice a trans­formovalo
se na studium tzv. plazmového fokusu, když ve vedení skupiny zůstal N. V. Filipov.
Termojaderná skupina se pokorně vrátila k prvotní myšlence Tamma a Sacha­
rova (toroidální magnetické pole – vnější cívky – a toroidální elektrický proud –
indukce, poloidální magnetické pole).
V roce 1955 bylo postaveno první zařízení tokamakového typu ­s keramickou
vakuovou komorou. Energetické ztráty vyzařováním čárového spektra byly tak
obrovské, že byl velký problém vůbec výboj zapálit. Spektrální analýza ukázala
na viníka – křemík, stavební prvek vakuové nádoby. TMP – Toroid v Magnitnom
Pole – byl nahrazen v roce 1957 tokamakem T-1. Autorem názvu tokamak byl
v roce 1957 I. N. Golovin. Nicméně již TMP splňoval Šafranovo–Kruskalovo krité­
rium: při silném toroidálním (podélném) poli bylo q > 1.
Tokamak T-1 měl vakuovou komoru z nerezové oceli tloušťky desetiny mili­
metru, takže oproti plazmovému provazci nepředstavovala žádnou vodivou kon­
kurenci, tudíž nepotřebovala žádná přerušení. T-1 byl současníkem největšího
termojaderného zařízení na světě, které bylo v roce 1957 spuštěno v Harwellu pod
názvem ZETA (Zero Energy Thermonuclear Assembly). Ambiciózní název prozra­
dil cíl svých autorů: zařízení ZETA uvolní nejméně tolik fúzního výkonu, aby po­
krylo příkon zařízení.
Tokamak T-1 a ZETA se lišily „pouze“ silou podélného magnetického pole. Když
T-1 pole snížil, dosáhl stejných výsledků jako ZETA. Ovšem plazma bylo nestabil­
ní. Potvrdilo se Šafranovo–Kruskalovo kritérium stability {2} výboje s podélným
magnetickým polem.
Ani tokamak T-1 teplotu plazmatu markantně nezvýšil a ta se pohybovala ko­
lem 100 000 stupňů. Energie stále unikala zářením, i když tentokrát místo křemí­
ku zářily kyslík a uhlík. To ovšem nebyly stavební materiály vakuové komory, ale
prvky adsorbované stěnou komory.
V roce 1956 navštívil středisko fúzního výzkumu Spojeného království Harwell
v rámci státní delegace Sovětského svazu I. D. Kurčatov a přednesl konsternova­
nému publiku „O možnosti zapálení termojaderné reakce v plynovém výboji“. Dosud
hluboko utajované téma odhalil demokratickému státu zástupce totalitního komu­
nistického Sovětského svazu. Auditorium absurdně mlčelo, neboť nemohlo dotazy
vyzradit, co o tajném výzkumu ví. Nicméně v roce 1958 na II. Mezinárodní konfe­
renci Atom pro mír v Ženevě byl fúzní výzkum jedním z hlavních témat a brzy se
rodící mezinárodní spolupráce začínala přinášet první výsledky. USA a Spojené
království odtajnily fúzi dva dny před konferencí.
Tokamak T-2 využil konstrukčních prvků amerického stelarátoru B-2 a vakuovou
komoru vybavil jednak vypékáním a jednak clonou – limiterem. Zahřívání komory na
teplotu 450 °C zbavilo stěny adsorbovaných nečistot a clona vymezila průměr plaz­
mového provazce a snížila možnost kontaktu plazmatu se stěnami vakuové nádoby.
Na jaře 1962 se podařilo K. A. Razumové a J. P. Gorbunovovi dosáhnout mak­
roskopicky stabilního plazmatu po dobu dvou milisekund. Skvělé potvrzení Šafra­
nova–Kruskalova kritéria stability, kdy silné toroidální (podélné) pole dokázalo
zvýšit zásobu stability na q = 8.
Nestabilit se v tokamakovém plazmatu objevovalo tolik, že je vědci začali třídit
po vzoru systematické zoologie na třídy, skupiny atd. Z těch dob se traduje výrok
zahajující mezinárodní konference: „Dobrá zpráva – podařilo se nám porozumět
a eliminovat nestability zmíněné na minulém setkání. Špatná zpráva – objevily se
čtyři nestability nové!“ Nicméně na II. Mezinárodní konferenci o fyzice plazmatu
a řízené termojaderné fúzi v anglickém Culhamu prohlásil vynikající sovětský teo­
retik B. B. Kadomcev: „…spatřili jsme obrysy břehu ohromného jezera nestabilit,
které se ještě nedávno zdálo oceánem bez konce.“
V důsledku nepatrných nepřesností při volbě magnetických polí, nedostatečného
očištění stěn vakuové komory a obecně z neznámých příčin zůstávaly ztráty ener­
gie veliké. Teplota i při velikém ohřevovém výkonu dosahovala několika miliónů
stupňů, i když doba udržení energie přesahovala několikrát dobu udržení podle Da­
vida Bohma. Bohmova difuze díky turbulencím byla rychlejší (~ B -2) než teoreticky
předpověděná, tzv. klasická (~ B -1), kde B je intenzita izolujícího magnetického pole.
Blížil se rok 1968, rok s velkým R. Blížila se III. Mezinárodní konference o fyzice
plazmatu a řízené termojaderné fúzi, která se příznačně konala na půdě Sovětské­
ho svazu v Novosibirsku.
Ještě před tragickou smrtí při havárii letadla v roce 1962 stačil v roce 1956 N. A.
Javlinskij prosadit návrh tokamaku T-3. Mravenčí práce při hledání ostrůvků sta­
bility se vyplatila: plazma hustoty 5 × 1019 m-3, teplota elektronů 8 miliónů stupňů,
teplota iontů 5 miliónů stupňů a co bylo důležité – tepelné ztráty byly 50× menší
než měly být podle Bohma. Tokamak T-3 vyrobil stabilní a klidné plazma, které
nemělo s Bohmovým turbulentním plazmatem nic co do činění.
V roce 1956 prohlásil v Princeton Gun Club otec americké vodíkové bomby Ed­
ward Teller, že většina magnetických nádob je z principu nestabilní. Se skepsí Tel­
lera úzce souvisí odpověď V. S. Strelkova na jednu z otázek Oddělení tokamak ÚFP.
Jan Mlynář, ÚFP: „Souhlasíte s obecně přijímaným tvrzením, že při nečekaném
úspěchu tokamaků sehrála důležitou úlohu osobnost L. A. Arcimoviče?“
V. S. Strelkov: „Především nesouhlasím s formulací nečekaný úspěch. Praco­
vali jsme, analyzovali výsledky a pokračovali a vůbec si nevšímali tvrzení Prin­
cetonu o univerzálnosti Bohmovy difuze. To zaprvé. Za druhé, L. A. Arcimovič
sehrál bezesporu vynikající roli při rozvoji programu Tokamak. Jeho úloha se
nejvíce projevila při analýze výsledků a organizaci experimentů na tokamaku
T-3 a dalších zařízeních, když se stal vedoucím naší laboratoře po tragické smrti
N. A. Javlinského.“
Teplota elektronů v tokamaku T-3 byla měřena nepřímo pomocí diamagnetické­
ho jevu. Zatímco Arcimovič byl přesvědčen, že jeho výpočty jsou správné, Američa­
né nesouhlasili. V roce 1969 teplotu elektronů tokamaku T-3 změřila skupina ang­
lických fyziků na pozvání Arcimoviče přímo novou metodou Thomsonova rozptylu.
Arcimovič požádal Angličany o pomoc. To mimo jiné znamenalo dopravit Boeingem
707 Pákistánských aerolinií (jiné společnosti přímo z Londýna do Moskvy nelétaly)
26 beden o celkové hmotnosti 5 tun. Náklad obsahoval přísně embargované fotoná­
sobiče a Faradayovu klec, která byla větší než vrata Boeingu. Na II. Mezinárodním
sympoziu o udržení plazmatu v roce 1969 v sovětské Dubně člen anglické skupiny
Derek Robinson potvrdil či spíše vylepšil Arcimovičovy výsledky a tokamak se rá­
zem stal zařízením číslo jedna pro výzkum řízené fúze.
Co to je…
Historie výzkumu řízené termojaderné fúze
8–9
Niegel Peacock, vedoucí britské skupiny, telefonoval svému šéfovi Sebastianovi
Peasemu do Londýna. Pease okamžitě volal přes Atlantik do kanceláře fúzního
programu ve Washingtonu: „Arcimovič neměl pravdu! T-3 není tak dobrý, jak tvrdil,
ten tokamak je lepší!“ Úžas v kanceláři vystřídalo nevázané nadšení. Jeden z mužů
nevydržel, vyskočil na stůl a zatančil kozáčka. Prokletý Bohm byl poražen!
„Hlavní závěr experimentů s uzavřenými nádobami spočívá v tom,“ prohlásil
na konci novosibiřské konference L. A. Arcimovič, „že jsme se odtrhli od temného
přízraku hromadných ztrát popisovaných Bohmovým vzorcem a našli cestu, jak
zvýšit teplotu plazmatu na termojadernou úroveň!“ Největší americký Stellarator
C v Princetonu je po tuhém odporu Mela Gottlieba – šéfa PPPL – přestavěn na
diagnostikou obsypaný tokamak ST, tokamak staví Massachusetts Institute of
Technology (Alcator – silné magnetické pole), Oak Ridge (Ormak – vyměnitelné
vakuové komory s rozdílným poměrem velkého a malého poloměru), University
of Texas (Texas Turbulence – ohřev plazmatu turbulencí), General Atomic (Doub­
let II – protáhlý průřez vakuové komory), anglický stelarátor CLEO v Culhamu se
jmenuje CLEO-tokamak, francouzský v Fontenay-aux-Roses má jméno TFR, ně­
mecký Max Planck Institute of Plasma Physics v Garchingu – Pulsator, Itálie ve
Frascati – TTF, Japonsko – JFT-2 a další. Končí éra váhání a začíná čas tokamaků!
Spojené království
Jako první zahájilo systematický výzkum řízené termojaderné fúze Spojené krá­
lovství. Druhá světová válka nemilosrdně prosela adepty na účast v „soutěži“ zvané
Výzkum řízené termojaderné fúze. Vzadu zůstaly ve válce poražené Německo, Ja­
ponsko a Francie. Pouze vítězné mocnosti dostaly šanci: Spojené království, Spojené
státy americké a Sovětský svaz. Sovětský svaz začínal prakticky od nuly – mini­
mální tradice ve výzkumu jádra, válkou a předválečným stalinismem vydrancova­
ná země. Spojené státy americké – vynikající startovní pozice ekonomicky silného,
válkou nedotčeného státu, avšak státu bez větší tradice ve fyzikálním výzkumu.
Spojené království – dechberoucí tradice výzkumu fyziky atomového jádra a po­
měrně slušná ekonomika. Stručně:
Joseph John Thomson, Nobelova cena – objev elektronu, 1897
Francis Aston, Nobelova cena – objevitel izotopu a hmotnostního deficitu jádra
atomu, 1919
Sir Arthur Eddington, astrofyzik – hypotéza slučovací reakce na Slunci, 1920
Robert Atkinson a Fritz Houtermans – jaderná fúze ve hvězdách ve světle
kvantové mechaniky (článek bývá označován za začátek výzkumu termonukleární
fúze), 1929
Sir John Cockcroft, Nobelova cena – Cockcroftův–Waltonův urychlovač, potvrze­
ní Gamowovy tunelové hypotézy, 1932
Sir Ernest Rutherford (Novozélanďan), Nobelova cena – otec jaderné fyziky, teo­
rie struktury atomu (jádro a elektronový obal), transmutace prvků, 1932, deute­
rium–deuteriová fúze, 1934
Sir Ernest Rutherford, Sir Mark Oliphant (Australan), Paul Harteck (Němec) –
jaderná fúze (deuterium–deuterium) na zemi, 1934
G. P. Thomson, Nobelova cena – difrakce elektronů
Bylo otázkou času, kdo, kde a jak na britské půdě otevře téma řízené termoja­
derné fúze.
V roce 1905 kovový tovární komín firmy Hartley Vale Kerosene Refinery ne­
daleko Lithgow v Austrálii po zásahu bleskem připomínal pomačkanou gumovou
hadičku, z které někdo vysál vzduch. Blesk dokázal stlačit dutý kovový komín. Tak
byl objeven jev nesmírně důležitý pro výzkum termojaderné fúze – pinč efekt. Když
elektrický proud dokáže stlačit kov, tak proč by nemohl stlačit (ohřát) plazma? Na
své využití si pinč efekt, považovaný za kuriozitu bez praktického významu, počkal
čtyřicet let.
George Paget Thomson dostal Nobelovu cenu již v roce 1937 za důkaz vlnového
charakteru elektronů, ale v roce 1939 ho, jako mnoho jeho kolegů fyziků, zaujalo
atomové jádro. Thomson již v roce 1941 spočítal, že lze vyrobit atomovou bombu. Po
založení Atomic Energy Research Establishment (AERE) v Harwellu se opakovaně
pokoušel – v roce 1945 poprvé – u jeho ředitele Johna Cockcrofta sehnat peníze na
stavbu velkého pinče, později přes lorda Portala v Associated Electrical Industries
(AEI) se pokoušel o totéž, ale neuspěl.
G. P. Thomson a Peter Thonemann
(archiv autora)
Co to je…
Historie výzkumu řízené termojaderné fúze
10–11
V roce 1946 spolu s Mosesem Blackmanem podali patent č. 817, 681 na stavbu
termojaderného reaktoru: „Improvements in or relating to Gas Discharge Appara­
tus for Producing Thermonuclear Reactions“. Specifikace neobsahovala ani jednou
slovo plazma či pinč (tedy přesněji řečeno „pinch“)! Jednalo se o zařízení ne nepo­
dobné betatronu, kde svazek elektronů byl v toroidální nádobě urychlován vysoko­
frekvenčním elektromagnetickým polem a jeho prostorový náboj elektrostaticky
udržoval ionty. Ionizovaný plyn byl ohříván opět vysokofrekvenčním elektromag­
netickým polem. Do kompletního betatronu chyběla elektronová tryska a terčík,
naopak přebývaly ionty. Magnetické pole proudu elektronů bránilo úniku nabitých
částic na stěnu vakuové nádoby. Stabilní dráhu elektronů zajišťovalo příčné mag­
netické pole. Aparatura měla sloužit buď jako zdroj fúzních neutronů pro výrobu
umělých radioaktivních látek nebo pro přeměnu uranu na plutonium či thoria na
uran 233, nebo tepla pro výrobu elektřiny.
Se svým konceptem a se zprávou Němce Maxe Steenbecka o podobném zaříze­
ní zvaném Wirbelrohr zamířil Thomson za dvěma doktorandy Stanem Cousinem
a Alanem Warenem, kteří později v roce 1948 na Imperial College v Londýně, kde
profesor G. P. Thomson přednášel, postavili malý lineární „Z-pinč“. Ware seznámil
se svými pokusy Jima Tucka – zkušeného fyzika – účastníka projektu Manhattan,
který se o totéž pokusil v Clarendon Laboratory na Oxford University spolu s Pe­
terem Thonemannem. Posléze se Tuck na pozvání Edwarda Tellera vrátil do Los
Alamos k práci na vodíkové bombě, ale na pinč nezapomněl ani v Americe.
Peter Clive Thonemann z University of Australia, Melbourne a Sydney nastou­
pil do Clarendon Laboratory v Oxford University s hlavou plnou myšlenek a seši­
tem plným výpočtů, jak uskutečnit řízenou termojadernou fúzi. Jeho školitel Dou­
glas Roaf mu však zadal vývoj zdroje iontů, takže mladý Thonemann se za „školné“
750 £ ročně věnoval svému koníčku „po pracovní době“.
Thonemannovi bylo jasné, že si nemůže vzít příklad z Rutherforda, ale ze Slun­
ce. Nebude střílet, ale zahřívat. Nebude terčík, bude plazma. Stejně jako další vědci
v té době si vzpomněl na čtyřicet let starý pinč efekt. Po úspěšné obhajobě tohoto
nápadu na sympoziu v Clarendonu v lednu 1947 se mu podařilo získat finance
a začal stavět skleněné a později měděné uzavřené nádoby prstencového – toroi­
dálního – tvaru, ve kterých budil elektromagnetickou indukcí elektrický proud
v plazmatu potřebný k pinčování. Nejprve střídavým napětím, ale velké ztráty ion­
tů v okamžiku nulového magnetického pole při změně polarizace ho donutily přejít
na pulsní režim. Zdrojem již nebyl budič radaru, ale kondenzátorová baterie spína­
ná jiskřištěm. Trpělivě se seznamoval s vlastnostmi plazmatu a nevyhýbal se ani
experimentům s přímými výboji. Ředitel Clarendon Laboratory Sir Cockckroft byl
úspěchy Thonemanna nadšen. Tehdy si uvědomil, že jeho rozhodnutí podpořit sys­
tematického Australana na úkor slavného nobelisty G. P. Thomsona bylo správné.
Po sérii fungujících větších a větších Z-pinčů získal Cockcroft 200 000 £ od nově
založené UK Atomic Energy Authority (UKAEA) na stavbu velkého zařízení. Han­
gár č. 7 – Harwell stál na pozemcích bývalého letiště – se stal svědkem stavby,
provozu, úspěchů, ostudy a zmrtvýchvstání největšího fúzního zařízení své doby.
V Hangáru 7 postavil Thonemann toroidální Z-pinč ZETA. O důležitý doplněk
se zasloužil Roy Bickerton. Po sérii úspěšných pokusů navrhl potlačit smyčko­
vou nestabilitu podélným magnetickým polem vytvořeným toroidálními cívkami
nasunutými na vakuovou komoru. Přes navýšení nákladů a složitosti zařízení byl
Bickertonův návrh schválen.
V tu chvíli se ZETA přiblížilo tokamaku na dosah ruky. Stačilo zatočit koleč­
kem – zvětšit podélné pole, aby systém splňoval Šafranovo–Kruskalovo kritérium
stability {2}. Konečně Arcimovičovi chlapci v Moskvě se na okamžik domnívali, že
v Hangáru č. 7 stojí tokamak.
Techniku později přejali Alan Ware v Imperial College v Londýně, Američané
a prý i Rusové. Klaus Fuchs, který informoval Sovětský svaz o projektu Manhat­
tan, totiž o výzkumu fúze ve Spojeném království věděl všechno.
Z důvodu utajení byl po aféře Klause Fuchse britský fúzní program z univerzit
přesunut do státních ústavů. Proto bylo zařízení ZETA – vrchol tvůrčí činnosti
Petera Thonemanna – postaveno v Harwellu.
Ze stejných důvodů se výzkumy z Imperial College v Londýně přesunuly do
Associated Electrical Industries (AEI) v Aldermatsonu. Pro úplnost a jako důkaz
bohatého britského fúzního program vzpomeňme polovinu padesátých let v Atomic
Weapons Research Establishment a také v Aldermatsonu. AWRE se zajímalo o rá­
zové vlny a lineární pinče. V roce 1951 fungovaly tedy pinče nejméně ve čtyřech
laboratořích: Cousin a Ware v Imperial College v Londýně, Thonemann v Claren­
don Laboratory v Oxfordu, Tuck v Los Alamos National Laboratory (Perhapsatron
a Columbus) a Kurčatov v LIPAN.
Zařízení ZETA bylo uvedeno do chodu v polovině srpna 1957. Třicátého srpna
pozdě večer zaregistrovali neutrony. Příští ráno, když uklízečky sbíraly prázdné
plechovky, se nahlas divily, zda to nové zařízení funguje na světlé pivo…
Po kratších tahanicích mezi americkými a anglickými výzkumníky vyplývají­
cích ze smlouvy o „termojaderném přátelství a spolupráci“ mezi USA a Spojeným
královstvím publikoval 25. ledna 1958 časopis Nature zprávu o „záhadných“ neu­
tronech identifikovaných na toroidálním pinči ZETA spolu s výsledky amerického
projektu Sherwood. Zdůrazňuji, že Nature o termojaderném původu neutronů ne­
psal! Domněnku o jejich termojaderném původu vyslovil pod silným tlakem médií
na tiskové konferenci před pěti sty novináři 24. ledna 1958 ředitel Harwellu John
Cockcroft: „Neutrony jsou na 90 % termojaderného původu!“ Také v tiskové zprávě
se o termojaderném původů neutronů ZETA psalo. Novináři a politici si moc přáli
když ne vymazat, tak snížit slávu sovětského Sputniku ze 4. října 1957. Navíc
důvěra veřejnosti v jadernou techniku byla otřesena vážnou havárií reaktoru pro
výrobu plutonia ve Windscale čtyři dny nato.
O termojaderném původu neutronů ZETA zapochybovali Arcimovič díky své
intuici v Moskvě slovem „Dogshit“ a Spitzer v Princetonu po návštěvě ZETA na
základě svých výpočtů. V půli roku 1958 dokázal Basil Rose změřením směrového
rozložení emitovaných neutronů, že tyto nejsou termojaderné. Termojaderná ko­
munita se z neutronové aféry ZETA dlouho vzpamatovávala.
Se zajímavým a hluboce pravdivým tvrzením přišel Manchester Guardian: „Věci
se mohly dít jinak, pokud by vědci obsluhující ZETA byli podrobeni každodenní
kontrole svými kolegy z jiných laboratoří.“ Zkrátka, kdyby neexistovalo nesmyslné
utajování vědecké práce.
ZETA ovšem fungovalo dál a objevilo režim samoorganizovaného plazmatu –
reverse field pinch – a byla na něm odzkoušena metoda měření teploty elektronů
Co to je…
Historie výzkumu řízené termojaderné fúze
12–13
Thomsonovým rozptylem laserového svazku, která v roce 1969 potvrdila na toka­
maku T-3 rekordní teplotu. Uvažovaný následník ZETA – mnohem větší ZETA II –
se ovšem neobjevil.
V průběhu šedesátých let se veškerý fúzní výzkum ve Spojeném království se­
stěhoval do bývalého letiště Culhamu – dnes Culham Centre for Fusion Energy.
Spojené státy americké
Pokud pomineme obdivuhodnou aktivitu Kantrowitze a Jacobse na konci třicátých
let, pak koketovali s řízenou fúzí vědci shromáždění v Los Alamos za jiným úče­
lem – probudit k životu fúzi neřízenou.
Pánové Teller, Fermi, Ulam a Tuck se nicméně nezávazně bavili řízenou fúzí na
seminářích již v roce 1945. Fermi tehdy upozornil na toroidální drift v magnetické
uzavřené nádobě. Teller dokonce došel k závěru, že zisková fúze není možná.
Robert R. Wilson nakreslil kulový reaktor s plazmatem drženým magnetickým
polem (sic!) a ohřívaným mikrovlnami. Spolu s Robertem Cornogem se pokusili
o experiment. Angličan James Tuck v zádech s plejádou „poradců“, mezi nimiž se
vyskytovala jména jako Luis W. Alvarez či John von Neumann, se pokoušel do roku
1946 o „vstřícné“ deuteriové svazky.
Systematický fúzní výzkum řízené fúze ve Spojených státech začal v polovi­
ně roku 1951 a byl iniciován stejně jako v Sovětském svazu Perónovou zprávou
o „úspěchu“ jeho chráněnce Ronalda Richtera. Profesora astronomie univerzity
v Princetonu Lymana Spitzera zastihla zpráva na lyžařské dovolené v Aspenu.
Jeden ze zakladatelů teoretické fyziky plazmatu, po němž byla pojmenována elek­
trická vodivost plazmatu (Spitzer conductivity) a autor myšlenky pozorovat vesmír
teleskopem upevněným na satelitu (Spitzer Space Telescope byl vynesen do kosmu
raketou Delta z Mysu Canaveral 25. srpna 2003) se stejně jako Arcimovič v Moskvě
zprávě usmál a raději „vymyslil“ stelarátor.
Stelarátor je magnetická nádoba, která ke svému životu nepotřebuje elektrický
proud v plazmatu jako pinč nebo tokamak. Pokud by stelarátor byl úspěšný, pak
by fúzní elektrárna nemusela být v principu pulzní. V toroidální vakuové nádobě
stelarátoru je plazma od stěn izolováno magnetickým polem vytvářeným pouze
vnějšími cívkami. Atomová komise (Atomic Energy Committee, AEC) poskytla Spi­
tzerovi na stelarátor 50 000 amerických dolarů a stejnou sumu na pinč získal Tuck
od ředitele LANL Norrise Bradburyho. Drift plazmatu v důsledku nehomogenity
„křivého“ magnetického pole eliminoval Spitzer nejprve osmičkovým tvarem va­
kuové komory, později u stelarátoru typu „race track“ – závodní dráhy tvořené
dvěma rovinkami spojenými zatáčkami – helikálním vinutím, které spolu se so­
lenoidálním vinutím vytvořilo šroubovicové magnetické pole potlačující toroidální
drift. Mimochodem, Spitzer jezdil do práce na kole a na „osmičkový“ tvar vakuové
komory přišel během několika dnů!
Je vhodné zdůraznit, že Spitzerův nápad se stelarátorem je originální v tom, že
se zásadně liší od různých variant pinče, kam patří i tokamak. Dalších originálních
nápadů, jak se vypořádat s fúzí, byla celá řada. Některé z nich se pěstují do dnešní
doby, ale žádný z nich na takové úrovni, aby byl považován za konkurenci tokama­
ku. Stelarátor takovou konkurencí může být.
Ovládací místnost tokamaku Alcator C-Mod v Massachusetts Institut of Technology
(archiv autora)
Tokamak poráží stelarátor
(Ivan Havlíček)
Co to je…
Historie výzkumu řízené termojaderné fúze
14–15
Stelarátory sice nedosahují výsledků tokamaku, nicméně jejich zásadní před­
nost – možnost nepřetržité činnosti – láká a dodnes se provozují. Dvacátého květ­
na 2014 byl po osmiletém zpoždění a dvojnásobném navýšení nákladů slavnost­
ně představen supravodivý stelarátor Wendelstein 7-X v Ústavu fyziky plazmatu
Maxe Plancka v Greifswaldu. Wendelstein používá kromě 20 planárních i 50 3D
cívek vskutku bizarních tvarů.
Projekt Sherwood v sobě kromě stelarátorů zahrnul řadu dalších typů magnetic­
kých nádob: lineární pinče Jamese Tucka a theta pinče v Los Alamos National Labo­
ratory, magnetická zrcadla v Lawrence Livermore National Laboratory a Oak Ridge
National Laboratory. Snaha o co nejrychlejší dosažení výsledků vedla k překotnému
stavění nových zařízení, aniž by stávající byla vědecky „vyždímána“. V každém případě
je třeba se zmínit o roce 1958, kdy na lineárním theta pinči Scylla I v Los Alamos byly
při teplotě 15 miliónů stupňů poprvé detekovány neutrony termojaderného původu.
V Lawrence Livermore National Laboratory postavili na počátku osmdesátých
let pod vedením R. F. Posta 20 metrů dlouhé tandemové zrcadlo se supravodivými
magnety a 20 MW ohřevu pomocí svazků neutrálních částic. Dopoledne obrovské
zařízení slavnostně otevřeli a večer potichu zavřeli – gigantické zrcadlo nikdy ne­
zafungovalo. Došly peníze.
Tokamak po roce 1968
Úhelný kámen – formule – fúzní fyziky, kterou sestavil nefyzik, inženýr John Law­
son v roce 1955 a publikoval v roce 1957, spojuje tři fyzikální veličiny: hustotu
plazmatu n, dobu udržení energie plazmatu τ a teplotu plazmatu T. Konstanta je
závislá na typu slučovací reakce:
n τ ≥ konst. f(T)
{3}
Doba udržení energie je měřítkem kvality tepelné izolace plazmatu. Tuto může­
te zlepšit dvěma způsoby: zvýšením intenzity a zlepšením konfigurace izolujícího
magnetického pole nebo zvětšením objemu plazmatu. Na první pohled se zdá, že
alternativa malého tokamaku se silným magnetickým polem bude lacinější ze jme­
novaných variant, na rozdíl od velkého tokamaku s menším magnetickým polem.
Problém nastane, když nahradíte měděný vodič v cívkách supravodičem, abyste vy­
lepšili energetickou bilanci zařízení. Chlazení standardního vodiče totiž spotřebuje
velké množství vyrobené energie. Ovšem supravodivost funguje jen do určité horní
hranice magnetického pole. Jinými slovy u malého tokamaku se silným magnetic­
kým polem supravodič nelze použít. Většina tokamaků se vydala cestou zvětšování
objemu plazmatu, tj. zvětšování rozměrů celého zařízení. Nicméně Technologický
ústav v Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology, MIT) cestu silného
magnetického pole a relativně malého zařízení zkouší. Výsledkem je řada toka­
maků Alcator. V současné době Alcator C-mod s 9 tesly je tokamak s nejsilnějším
magnetickým polem ve světě (tokamaků). Ostatní významné laboratoře stavěly
tokamaky tak veliké, jak dovolily přidělené fondy. Pochopitelně i zkušenosti.
Brzy bylo zřejmé, že základní ohřev toroidálním elektrickým proudem – Jouleův
neboli ohmický – k dosažení potřebné teploty nebude stačit. Zvětšováním elektric­
kého proudu v plazmatu dojde k narušení Šafranova–Kruskalova kritéria stability,
což vůbec není vítaný důsledek. S růstem teploty plazmatu také klesá jeho elektrický
odpor, a tudíž i účinnost ohmického ohřevu. Z nejrůznějších metod – takzvaných
dodatečných ohřevů – se ujaly dvě. Ohřev elektromagnetickými vlnami na vybrané
rezonanční frekvenci plazmatu a ohřev vstřikem svazku vysokoenergetických neu­
trálních částic (Neutral Beam Injection, NBI).
Všimněme si několika gentlemanů, kteří pohnuli tokamakovým světem.
Princeton Large Torus (PLT) spuštěný v roce 1975 byl první tokamak s elektric­
kým proudem v plazmatu přes 1 megaampér (milión ampérů). PLT neměl stabili­
zující měděný kožuch, ale jeho funkci zastoupilo příčné – poloidální – magnetické
pole vytvářené zpětnou vazbou v reálném čase řízenými cívkami. Nicméně prvním
tokamakem bez kožuchu byl tokamak TO-1 z Kurčatovova ústavu. Transformátor
tokamaku PLT se jako první obešel bez jha a zahájil tak éru tokamaků s vzducho­
vými transformátory, které nebyly limitovány nasycením svého jádra.
Dodatečný ohřev PLT byl impozantní – dva svazky energetických neutrálních
částic, každý o výkonu 2 MW (před ním tokamak ATC musil vystačit s 80 kW)
a 10. srpna 1978 dosáhl PLT teploty plazmatu 85 miliónů stupňů. Výstřel číslo
68 430, 3. srpna 1978, v 17 hodin 52 minut 12 sekund. Nikdy nebude známa jeho
teplota – vrchol křivky zmizel za horním krajem obrazovky. Jeden z rozvášněných
fyziků zavolal do Itálie, kde studovali podobný problém, a tak se stalo, že vedoucí
laboratoře Wolfgang Stodiek se ráno přihnal rozčilený, že mu volali z Washingtonu,
co se děje… Oficiálně se udává dosažená teplota 60 miliónů stupňů.
Jedno ze dvou termojaderných zařízení schopných provozovat termojadernou reakci
deuterium–tritium – dnes už neexistující americký tokamak TFTR
(archiv autora)
Co to je…
Historie výzkumu řízené termojaderné fúze
16–17
Sovětský tokamak T-7 byl prvním, který použil supravodivé cívky. Zatím
pouze pro toroidální pole a z NbTi. Za pomoci vlnovodové struktury vyvinuté
a vyrobené v Ústavu fyziky plazmatu ČSAV dosáhl v roce 1982 rekordního ne­
induktivně buzeného proudu v plazmatu 200 kiloampérů po dobu 50 sekund.
Rok 1982 byl vůbec plodným obdobím. Na německém tokamaku Asdex objevil
4. února profesor Fritz Wagner režim zvýšeného udržení energie plazmatu, tak­
zvaný H-mód (High – vysoký). Byly rozpracovány metody dodatečného ohřevu.
Byl to právě H-mód, který těmto metodám vytrhl trn z paty – plazma po jejich
použití bylo jinak nestabilní a klesala doba udržení energie. Standardizoval
se protažený tvar vakuové komory odpovídající písmenu D a divertor na dně
vakuo­vé komory. Protažený tvar vakuové komory zvyšuje parametr β, na kterém
závisí ekonomické parametry tokamaku. Prvním tokamakem s průřezem vaku­
ové komory ve tvaru písmene D byl sovětský tokamak T-8. Na tokamaku JET
jeho autor Henri Rebut ocenil díky D tvaru lepší mechanické vlastnosti komory,
která snadněji odolávala ohromným silám magnetického pole. Arcimovič a Ša­
franov v Moskvě spočítali: teče-li elektrický proud poblíž centrálního solenoidu,
má proud lepší podmínky – tedy další skóre pro průřez komory tvaru písmene D.
D-průřez je výhodný pro instalaci divertoru. Divertor, kromě jiného, usnadňuje
nastavení režimu H-mód.
Uvedené příklady dokumentují, jak svět infikovaný tokamaky pracoval a po­
stupoval rychle kupředu. V okamžiku, kdy bylo jasné, že extrapolace výsledků to­
kamaků sedmdesátých let dává za pravdu tvrzení, že čím větší objem plazmatu,
tím vyšší teplota (tím lepší je udržení energie), byl vytyčen směr dalšího bádání.
Ostatně, škálovací vzorce ukazující závislost parametrů plazmatu na rozměrech
tokamaku byly vynikajícím výsledkem spolupráce tokamakových laboratoří. Mimo
jiné potvrzují, že teplota iontů Ti a doba udržení energie v plazmatu rostou s veli­
kostí elektrického proudu Ip v plazmatu. Nastal čas postavit obry!
Na počátku sedmdesátých let byly nejvýkonnějšími tokamaky francouzský
Tokamak Fontenay aux Roses (TFR) a sovětský T-4, které dosahovaly 400 ki­
loampérů elektrického proudu v plazmatu. Již zmiňovaný americký PLT, spolu
s tokamakem T-10 a dalšími, se staly odrazovým můstkem pro stavbu dosud
největšího tokamaku na světě – evropského tokamaku Joint European Torus,
dobře známého pod zkratkou JET. (Pozor, neplést si s jadernou elektrárnou Te­
melín – ETE!)
Mezi „obry“ patří evropský tokamak JET, japonský tokamak JT-60U, sovětský
tokamak T-15 a patřil k nim i dnes již rozebraný americký tokamak TFTR. Vzhle­
dem k tomu, že tokamak T-15 je zakonzervovaný, tak dnes je rozměrově největ­
ším tokamakem JET. Jemu sekundují americký DIII-D, francouzský ToreSupra
s nejdelším pulsem horkého plazmatu 6:30 minuty a rozptýlenou energií 1000 MJ,
ruský T-10 a německý ASDEX Upgrade. Pochopitelně i jediné dva celosupravodivé
tokamaky na světě – čínský EAST a jihokorejský KSTAR.
JET je výjimečný stroj. Články o historii jeho výzkumů jsou skutečně vzrušu­
jícím čtením. O prestižní volbu místa stavby tehdy ve finále soutěže šesti míst
tvrdě bojovaly Anglie a Německo. Zdánlivě neřešitelný spor zakončila nepříjemná
historie s více méně šťastným koncem, kdy dopravní letadlo Lufthansy Flight 181
unesla Organizace pro osvobození Palestiny a cestující byli s britskou pomocí
osvobozeni. Německý kancléř Helmuth Schmidt se slavnostně vzdal kandidatury
na stavbu JET ve „prospěch“ britského premiéra Jamese Callaghana.
Svého úkolu vedoucího projektu se obdivuhodným způsobem zhostil Paul-Henri
Rebut. Tokamak JET byl postaven podle časového programu, nepřekročil odsouhla­
sené náklady a naopak byl překročen téměř dvakrát plánovaný proud plazmatem
3,7 MA na 7 MA! D-tvar průřezu komory nejen že splnil Rebutovy předpoklady, ale
ukázal se jako nesmírně šťastná volba. D-tvar totiž umožnil dodatečnou instalaci
divertoru, což byla nutná podmínka vybuzení H-módu. H-mód byl totiž objeven
a ověřen až po dokončení tokamaku. JET běžně pracoval s pulsy mnohem většími,
než na jaké byli vědci dosud zvyklí – 10 až 20 sekund, stejně tak doba udržení
energie vzrostla tisíckrát a měřila se v sekundách. Konečně 9. listopadu 1991: 10 %
tritia stačilo uvolnit 1,7 MW fúzního výkonu, celkem 2 MJ fúzní energie. Poprvé na
světě bylo na Zemi uvolněno řízeným způsobem významné množství energie fúzí.
Optimální poměr směsi deuteria a tritia D : T je 50 : 50. Proč tedy JET použil
poměr deuteria a tritia 90 : 10? Rebut chtěl instalovat divertor, neboť se ukázalo, že
to je lék na pokles doby udržení energie v důsledku růstu teploty plazmatu díky do­
datečnému ohřevu. Ten lék, jak už víme, se jmenoval H-mód. Rada tokamaku JET
chtěla co nejdříve výsledky, chtěla konečně termojadernou reakci, chtěla napustit
tritium. Ovšem instalovat divertor v aktivované vakuové komoře bez dálkového
ovládání, které ještě nefungovalo, bylo více méně nemožné. Strany se dohodly na
kompromisu. Zapálí se termojaderná reakce, ale při malém množství tritia, takže
se neaktivují stěny komory a bude se moci instalovat divertor ručně i po tom, co
v komoře proběhne reakce D–T.
Obnažená cívka toroidálního magnetického pole tokamaku ITER
(ITER organization)
Co to je…
Historie výzkumu řízené termojaderné fúze
18–19
Tritiové experimenty ukázaly, že ohřev α-částicemi – produkty reakce deuteri­
um–tritium – funguje. Tato skutečnost nebyla předem vůbec zřejmá. Dodnes re­
kordního výkonu a rekordní uvolněné energie dosáhl JET v roce 1997 již s diverto­
rem – 16,1 MW a 22 MJ. To už bylo jasné, že plazma je ohříváno produktem fúzní
reakce – α-částicemi (jádry helia). Dodatečný ohřev vysokoenergetickými svazky
neutrálních částic dodával plazmatu tokamaku JET 20 MW a α-částice cca 3 MW.
Výkonové zesílení plazmatu Q = 0,65. O rok později JET úspěšně předvedl dů­
ležitou technologickou akci, když vyměnil postupně celý divertor pomocí dálkově
ovládané techniky.
Posledním významným příspěvkem tokamaku JET k fúznímu světu, to je k pro­
vozu ITER, bylo úspěšné spuštění inovovaného zařízení v roce 2013 – s první stě­
nou ze stejných materiálů, jaké bude používat ITER (ITER like wall). Vakuová
komora byla obložena beryliem a divertor wolframem.
JET přinesl zásadní pokrok ve schopnostech řídit vysokoteplotní plazma, pro­
tože umožňuje automaticky reagovat v reálném čase na chování plazmatu pomocí
prakticky všech výkonových systémů, včetně systémů ohřevu. Byl vyzkoušen kva­
zistacionární režim ELMy H-mód.
Velkým soupeřem tokamaku JET byl americký tokamak TFTR v Princeton
Plasma Physics Laboratory. Zatímco v Evropě se Němcům nelíbilo ruské slovo to­
kamak a proto JET použil „torus“, Američanům ruština nevadila a TFTR začíná
„tokamakem“. Bylo jasné, že obě zařízení soupeří o fúzní prvenství. Američané za­
čali projektovat později než JET, ale ztrátu dohnali rychlou volbou místa – Prin­
cetonu. TFTR byl spuštěn na Štědrý den roku 1982. JET byl do provozu uveden
o půl roku později. Na rozdíl od JET měl TFTR kruhový průřez vakuové komory,
který nedovoloval instalaci divertoru a tudíž nastavení režimu H-mód. Princeton
věren své zásadě – stavět tak jednoduše, jak jen možno – na něco takového, jako
je protáhlý tvar vakuové komory, ani nepomyslel. Vyřešit problém poklesu udrže­
ní energie při použití dodatečného ohřevu pomohl svérázný experimentátor Jim
Strachanan, který objevil tak zvané supershots – supervýstřely. Stěny komory ob­
ložil uhlíkem, komoru pečlivě vyčistil několika výstřely do helia a pak do relativně
řídkého plazmatu vstřelil energetický svazek tritiových atomů. Výsledkem byla
lavina fúzních neutronů.
Jak JET, tak TFTR byly od počátku vybaveny pro práci s tritiem. Silná betonová
zeď chránila obsluhu před neutronovým zářením. Tokamak TFTR napustil tritium
poprvé v roce 1993, dva roky pro tokamaku JET. Zvolil od počátku optimální poměr
50 : 50 a výsledkem bylo 10 MW fúzního výkonu v roce 1994. Centrální teplota
plazmatu v TFTR byla 510 miliónů stupňů.
Japonsko postavilo v roce 1985 jako třetí stát velký tokamak JT-60. Japonské
zařízení nebylo navrženo pro práci s tritiem, ovšem i jeho výsledky s deuteriovým
plazmatem byly velmi dobré a cenné. Zajímavé bylo, že úspěšný byl až druhý di­
vertor v roce 1987 – JT60U, neboť první „překážel“ elektrickému proudu v plazma­
tu. Japonci údajně odmítli radioaktivní tritium, neboť jeho přítomnost nebyla po
zkušenosti s Hirošimou politicky průchodná. Zajímavé bylo, že atomové elektrárny
Japoncům nevadily.
Do projektu ITER dnes patří tzv. širší přístup (Broader Approach). Ten zahrnuje
modernizaci, či spíše stavbu zcela nového japonského tokamaku. JT-60SA bude
celosupravodivý tokamak s bohatým ohřevovým systémem – kupříkladu 14 svazků
neutrálních atomů s objemem plazmatu větším než má JET. Japonská termojader­
ná godzila se staví za finanční a personální pomoci Evropské unie. Budoucí druhý
největší tokamak na světě, na rozdíl od JET a ITER, nebude opět pracovat s tritiem.
Rodiště tokamaku v Moskvě se snažilo nezůstat pozadu, ale značné náklady
obrovských tokamaků se ukázaly nad aktuální síly ruského výzkumu. Proto se pů­
vodně ohlášená konstrukce tokamaku T-20 uskrovnila na tokamak T-15 spuštěný
v roce 1988 – a nakonec i ten byl příliš drahý, po sto výstřelech byl zakonzervován
a dodnes nefunguje. Sice se objevily zprávy, že jeho činnost bude obnovena, dokonce
bude instalován modifikovaný divertor, ale zůstává jen u zpráv. T-15 byl největší
tokamak na světě se supravodivými cívkami toroidálního pole z Sn3Nb. T-15 měl
kruhový průřez vakuové komory a cívky poloidálního pole nebyly supravodivé.
JET poprvé vyzkoušel dodávku a zpracování tritia v uzavřeném okruhu.
Všechny zde jmenované a nejmenované tokamaky pracují ve prospěch meziná­
rodního tokamaku ITER, který od roku 2007 staví Evropská unie, Rusko, Spojené
státy, Čína, Jižní Korea a Indie v jihofrancouzském regionu Cadarache. Na úspě­
chu či neúspěchu do značné míry závisí pokračování výzkumu řízené termojaderné
fúze.
Mezi komerční fúzní elektrárnou a tokamakem ITER by měla vyrůst demon­
strační fúzní elektrárna DEMO. Zřejmě na principu tokamaku. Již dnes DEMO
začínají navrhovat Čína, Jižní Korea a Evropa.
ITER
To, že se již během stavby velkých tokamaků v sedmdesátých letech minulého sto­
letím začalo uvažovat co dál, je logické, ale pravděpodobnost úspěchu zásadního
rozhodnutí nebyla veliká. „Majitelé“ velkých tokamaků každý zvlášť uvažovali
o dalším kroku (Next Step), jehož lákavým cílem mělo být zapálení fúze (ignition),
to je stav, kdy fúze hoří sama a není třeba přitápět zvenčí. Na návrh ředitele Kur­
čatovova ústavu Jevgenije P. Velichova se protagonisté dalšího kroku spojili v rám­
ci Mezinárodního tokamaku – reaktoru (International tokamak reactor, INTOR).
Studie počátkem osmdesátých let pod hlavičkou IAEA pojmenovala řadu technic­
kých problémů konstrukce fúzní elektrárny a odstartovala výzkumné programy,
které je měly řešit. Co se týče fúzní fyziky, projekt INTOR významné výsledky
nepředvedl. Zůstalo jen u několika setkání a sborníků z nich. Příčiny byly nejméně
dvě – stavěly se už velké národní tokamaky a velké tokamaky se teprve stavěly.
Nebyl čas ani peníze, nebyly zkušenosti – jinými slovy skok od stávajících tokama­
ků k dalšímu kroku byl nad síly zúčastněných. Přesto nelze říci, že projekt INTOR
byl neúspěšný. INTOR připravil půdu pro skvělý projekt ITER.
První zmínka o tokamaku ITER, který měl být do jisté míry opravou do ztrace­
na ukončeného projektu INTOR, vyšla (jak jinak) od bývalého Sovětského svazu.
Generální tajemník Michail Gorbačov na popud svého přítele a spolužáka z uni­
verzity, vědeckého poradce Jevgenije P. Velichova sondoval půdu při rozhovoru
s Mitterandem, francouzským prezidentem, aby posléze navrhl v roce 1985 stavbu
mezinárodního tokamaku ITER na summitu v Ženevě americkému prezidentovi
Ronaldu Reaganovi. ITER jako demonstrace spolupráce Východ–Západ byla lákavá
Co to je…
Historie výzkumu řízené termojaderné fúze
20–21
a stvrdil ji podpis dohody mezi Ruskem, Spojenými státy, Japonskem a Evropskou
unií, v jejímž rámci se zapojila i Kanada. Cílem bylo zapálení fúze. Odhady hovo­
řily o elektrickém proudu v plazmatu 20 MA, době udržení 6 sekund a rozměrech
třikrát větších než rozměry tokamaku JET. Pochopitelně protáhlý průřez vakuové
komory ve tvaru písmene D, divertor a možnost práce s tritiem. A všechny cívky
magnetického pole ze supravodivého materiálu.
V roce 1998 byla hotova Závěrečná zpráva, kde se mimo jiné objevil i příspěvek
České republiky reprezentované Ústavem fyziky plazmatu ČSAV. Současně se USA
představily jako krajně nespolehlivý partner a pro nedostatek financí vzdaly účast.
Nebyla to první Jobova zpráva. Rozpadl se Sovětský svaz a nástupnické Rusko
mělo z počátku jiné priority než řízenou termojadernou fúzi. Japonsko, pilíř světo­
vé ekonomiky, mělo problémy. Nicméně Evropská unie, Rusko a Japonsko vyjádřily
vůli v projektu pokračovat. Ambiciózní cíl ITER byl ale redukován a výsledkem už
nebyl autonomní zdroj, ale zesilovač výkonu. Zesílení Q = 10 ohřevového výkonu
plazmatu uvolněným fúzním výkonem mělo uskutečnit 15 MA proudu a dvakrát
větší rozměr oproti tokamaku JET.
Lacinější ITER v roce 2003 přilákal Čínu, na kterou se nalepily Spojené státy,
a ještě téhož roku se přihlásila Jižní Korea. Indie v roce 2006 uzavřela počet part­
nerů číslem sedm a završila „účastí“ více jak poloviny obyvatel zeměkoule.
Stejně jako v případě stavby tokamaku JET nastalo období tvrdých jednání,
kde bude nejdražší vědecko-technický (pozemský) projekt postaven. První se při­
hlásila Kanada. Nabídla Clarington v sousedství jaderné elektrárny Darlington
Nuclear Generation Station – zdroje tritia. Evropa zpočátku vstoupila do konkurzu
se dvěma kandidáty – španělským Vandelos a francouzským Cadarache. Japonsko
kontrovalo s rybářskou vesničkou Rokkasho-Mura. Jednání byla neuvěřitelně tvr­
dá, až se nakonec počet kandidátů redukoval na Cadarache a Rokkasho. Po dvou
letech jásala Evropa. Oficiálně se tak stalo 28. června 2005 v Moskvě.
Poslední tři kroky ke komerční termojaderné elektrárně jsou následující:
• Velké tokamaky (JET, JT-60U, TFTR, T-15) – důkaz vědecké proveditelnosti ří­
zené fúze
• Tokamak ITER – důkaz technické proveditelnosti fúze jako zdroje energie
• Demonstrační elektrárna DEMO – odhad ekonomické konkurenceschopnosti fúze.
První bod je splněn, druhý se staví a třetí projektuje.
Stavba tokamaku ITER je po všech stránkách úžasné dílo. Vedle špičkové tech­
nologie, způsobu zadání a koordinace výroby a dopravy komponent (až 800 tun
převážených po moři a především posledních 100 km po souši) tu jsou technologie
zcela neznámé: materiál první stěny vakuové komory a jeho tepelná a neutronová
zátěž, spojování odlišných materiálů, instalace komponent uvnitř vakuové komory,
plození tritia v testovacích modulech obalu (Test Blanket Modules), supravodivý
materiál v dosud nevídaném množství, zdroje svazků vysokoenergetických neut­
rálních částic a zdroje, antény vysokých frekvencí dosud neprovozovaných výkonů,
dálková vysoce přesná manipulace s hmotnými komponentami vnitřku vakuové
komory. Ve hře je nejenom věda a technika, ale i soužití a zázemí personálu pů­
vodem z celého světa a komunikace s obyvateli okolí stavby. ITER je první fúzní
zařízení s jadernou licencí vůbec. Premiér, se kterými se musí vedení ITER organi­
zation vypořádat, je mnoho. Až se chce říci, čeho je hodně, toho je příliš!
Fungování ITER organization je následující. V čele organizace je ředitel se čtyř­
letým mandátem. V rámci širšího přístupu jím je Japonec. Dnes to je prof. Osa­
mu Motojima. ITER organization má tři oddělení: Bezpečnosti a kvality, Výstavby
a Administrativy. Své požadavky tlumočí sedmi domácím agenturám – každý part­
ner má svoji. Evropská agentura ITER sídlí pod názvem Fusion for Energy (F4E)
v Barceloně. Agentury vypisují výběrová řízení na výrobu komponent a práce podle
smluv s ITER organization (Procurement Arrangements). Evropská unie platí cca
polovinu nákladů na stavbu ITER a zbývajících šest partnerů si rozdělilo zbytek
rovným dílem. Přidělené náklady se hradí v cenách výrobků. Z toho důvodu má
ITER organization vlastní měnu.
Stavět se začalo poblíž největšího francouzského výzkumného ústavu pro ato­
movou energii CEA Cadarache v roce 2007 a v roce 2014 se staveniště dočkalo prv­
ního transportu. Koncem roku 2013 a počátkem roku 2014 projely trasu z přístavu
Étang de Berre do Saint Paul-lez-Durance zkušební konvoje. V polovině roku 2014
byla na čtyřicetidvouhektarovém pozemku postavena větší část administrativní
budovy a 257 m dlouhá hala pro montáž největších cívek poloidálního pole. Jsou
betonovány základy tokamakového komplexu, který zahrnuje halu pro vlastní to­
kamak, halu pro tritiové hospodářství a halu pro diagnostiku. Nedávno byla do­
končena dočasná hala pro montáž centrálního solenoidu.
Po roce 2020 by měl ITER zapálit první plazma. Pak bude deset let odlaďovat
reaktor napuštěný pouze deuteriem, aby vnitřek vakuové komory nebyl radio­
aktivní a byl přístupný pro obsluhu, a konečně po roce 2027 se počítá s tritiem.
O projektu DEMO – demonstrační elektrárně – vážně uvažuje Čína, Jižní Korea
a Evropská unie. Spouštěcím impulsem pro zahájení projektů DEMO by mohla být
úspěšná činnost ITER.
Základy tokamakového komplexu: reaktor, tritiové hospodářství, diagnostika
(ITER organization)
Co to je…
Historie výzkumu řízené termojaderné fúze
22–23
Ze vzpomínek fúzisty
Bylo to dost kuriózní období, kdy v USA nebyl žádný funkční stelarátor (byť to byl
výmysl Lymana Spitzera z Princetonu) a v SSSR žádný funkční tokamak. Tehdy
stavěli T-10. Ostatně, podobný rozdíl mentalit se projevil i v kosmickém výzkumu.
Není pochyb o tom, že v padesátých letech byli Sověti o několik let před Američany.
Teprve, když JFK založil NASA, tak se situace razantně změnila.
Už na další konferenci IAEA v Madisonu (stát Wisconsin) přišli Američané s vý­
sledky z tokamaku ST (předělaný stelarátor C), které, až na drobné rozdíly (měli
horší vakuum), potvrdily výsledky z T3. Na tuto konferenci jsem propadl „tunelo­
vým efektem“. Poslali jsme tam jakýsi příspěvek o nelineární interakci e-svazku
s plazmatem, který byl zařazen do „raporteur presentation“ s Ukrajinci z Charko­
va. Bohužel stalo se, že nedlouho před touto konferencí v Madisonu byl Aerosalon
v Paříži, odkud emigroval šéfkonstruktér sovětských palubních systémů. To mělo za
následek, že řadě lidí, kteří měli jet do Madisonu, nevydali pas. Akademik Zavojskij
čekal s kufrem na letišti a pas mu nedali, pak už skoro nikdy do Kurčatova nepřišel
a zanedlouho zemřel.
Po tomto zemětřesení mě požádal prof. Šafranov, který koordinoval Sovětskou
účast na IAEA a už o tom věděl, abych ukrajinské články v Madisonu prezentoval
já. Psal se rok 1971 a o cestách do USA jsme si mohli jenom nechat zdát. Z Vídně mě
bombardovali, jestli to beru, a já jsem nemohl nic pořádného odpovědět. Nakonec to
Váňa (ředitel Ústavu fyziky plazmatu ČSAV) vytáhl na Národní (Prezidium ČSAV),
tam vzali sovětskou žádost velmi vážně a během 14 dnů mi dali 25 tisíc Kčs a žá­
dost o výjezdní doložku. A tak jsem Vídni odpověděl, že to beru. Stalo se, bohužel,
že se ty ukrajinské papíry někde ztratily. A tak jsem v sobotu před půlnocí čekal na
Vindobonu (vlak z Vídně), kterou tehdy přijela paní inženýrka Výborná, která obsta­
rávala kontakt naši Atomovky s Vídní. Předala mi obálku s více než 50stránkovými
dokumenty o výzkumech v Charkově. Byly, samozřejmě, v azbuce a já měl v úterý
odletět. Bylo to dost šílené i proto, že jsem anglicky uměl velmi špatně. Nakonec jsem
cosi sesmolil a jel na letiště. Město Madison je na severu USA ve státě Wisconsin.
Letadlo z Prahy letělo, samozřejmě, do New Yorku na J. F. K. airport. Tam jsem
musel přesednout na La Quardia airport a byla to detektivka. Bylo horko a já měl
dost těžký kufr, který jsem musel pořád s sebou vláčet. Nakonec jsem letiště našel
a odlétl do Madisonu. Tam jsem už potkal známé lidi. Před vystoupením jsem byl
pěkně podělaný, ale nějak mi to odpustili. Vzpomínám si, že jedním z diskutujících
byl prof. Kaw z Indie (tehdy z USA).
Během konference mi Harry Dreicer nabídl, abych jel na další konferenci, kdesi
v Andoveru NH, že mi vše zaplatí. Zbyly jim peníze na pozvané sovětské účastníky,
kteří nemohli přijet. Já jsem mu tehdy říkal, že mám americké vízum na 14 dnů
a že bych chtěl vidět ještě některé americké univerzity. Na to on mi odpověděl: „No
problem, zavoláme State Department a oni ti to vízum prodlouží.“ Pak jsem musel
přiznat, že mám také výjezdní doložku na 14 dní. A on mi řekl : „No problem, zavo­
láme do Prahy, a oni ti to prodlouží.“ Tehdy jsem mu řekl: „Harry, moc ti děkuji, ale
já bych se ještě někdy do Ameriky rád podíval.“ A trvalo to 21 let.
Podle vyprávění Pavla Šunky, bývalého ředitele Ústavu fyziky plazmatu AVČR,
laureáta Medaile Ernsta Macha za zásluhy ve fyzikálních vědách.
Závěr
Pozorným čtenářům neuniklo, že brožurce se nepodařilo odpovědět přinejmenším
na tři otázky. Myšlenka magnetické izolace plazmatu v zařízení TMP z roku 1950
je originální myšlenkou A. D. Sacharova, nebo nositel Nobelovy ceny znal úvahy
americké skupiny Teller, Ulam, Tuck a Fermi z roku 1946?
Zprávy sovětských špionů dostávalo jako první politické vedení, které rozhodo­
valo, kdo z vědců co dostane. Je jistá pravděpodobnost, že Sacharov, který se účast­
nil prací na vodíkové bombě, znal obsah Fermiho přednášek, které obsahovaly část
„Použití magnetického pole ke snížení tepelné vodivosti“ (ve vodíkové bombě, po­
známka autora). Na druhé straně ovlivnění pohybu nabitých částic magnetickým
polem není až tak převratná myšlenka, která vyžaduje opisování. Spíše se Sacha­
rov přiklonil k magnetické izolaci po přečtení Lavrentěvovy práce.
Druhou otázkou je zdroj inspirace nositele Nobelovy ceny G. P. Thomsona pin­
čem. Prý o něm přemýšlel již roku 1945 na Imperial College v Londýně, ale jeho
patent fúzního reaktoru z roku 1946, zdá se, na principu pinče není.
Třetí otázka: Jak by se rozvíjel výzkum, kdyby se ho Sacharov aktivně neúčast­
nil pouhý rok, ale podstatně déle, zůstane nezodpovězena.
Doporučená a odkazovaná literatura:
Garry McCracken, Peter Stott. Fúze: Energie vesmíru. Praha: Mladá fronta 2006.
Z anglického originálu Fusion: The Energy of the Universe přeložili Milan Řípa
a Jan Mlynář; Conellis M. Braams, Peter Stott. Nuclear Fusion – Half a Century
of Magnetic Confinement Fusion Research. Bristol and Philadelphia: Institute
of Physics Publishing 2002; Gennadij Stěpanovič Voronov. Šturm těrmojaděrnoj
kreposti. Moskva: „Nauka“ 1985; David Holloway. Stalin a bomba – Sovětský svaz
a jaderná energie 1939–1956. Praha: Academia 2008, z anglického originálu Sta­
lin and the Bomb – The Soviet Union and Atomic Energy přeložil Šimon Pellar;
Oleg Alexandrovič Lavrentěv. K istorii těrmojaděrnovo sintěza v SSSR. IOF RAN
No8 (M: IOF RAN 1993); Vitalij. S. Muchovatov. Tokamaki, Itogi nauki i tech­
niki, Fizika plazmy. Část 1, Moskva 1980; Milan Řípa, Jan Mlynář, František
Žáček, Vladimír Weinzettl, Petr Kulhánek, Karel Koláček, Jiří Matějíček. Řízená
termojaderná fúze pro každého. Praha: ÚFP AV ČR, v. v. i. 2013; Daniel Clery.
A Piece of the Sun. New York: The Overlook Press 2013.
Fotografie: ITER organization, archiv autora
Autor kreseb: Ivan Havlíček
Za cenné připomínky děkuji doc. RNDr. Janu Mlynářovi, Ph.D., a ing. Slavomíru
Entlerovi.
Ve všech níže uvedených hlavních okruzích výzkumu ústav spolupracuje také s řadou mezinárodních institucí zabývajících se obdobnou problematikou.
Oddělení Tokamak (TOK) se zabývá experimentálním a teoretickým výzkumem
fyziky horkého plazmatu, které je drženo magnetickým polem. K hlavním cílům
výzkumu patří studium procesů v okrajovém plazmatu a studium interakce elektromagnetických vln s plazmatem. Oddělení provozuje od roku 2009 nový tokamak
COMPASS a provádí optimalizaci plazmatu a podpůrných systémů, přičemž již
bylo dosaženo plně kontrolovaného, stabilního a reprodukovatelného výboje plazmatu po dobu 300 milisekund. Do provozu bylo uvedeno také několik pokročilých
diagnostických systémů, zejména k měření profilu hustoty a teploty plazmatu pomocí Thomsonova rozptylu. Tokamak COMPASS je zařazen mezi velké výzkumné
infrastruktury vysoké priority v ČR. Vláda ČR schválila usnesením č. 207 ze dne
15. března 2010 tzv. Cestovní mapu velkých výzkumných, vývojových a inovačních
infrastruktur v České republice jako strategický dokument. V této cestovní mapě
je do kapitoly Energie zařazen i tokamak COMPASS.
Partnerskými organizacemi pro ÚFP v oblasti vysokoteplotního plazmatu jsou
v České republice především MFF UK, FJFI ČVUT, FZÚ AV ČR, v. v. i., a Centrum
výzkumu Řež, s. r. o. Na mezinárodní úrovni je výzkumná práce oddělení Tokamak
plně integrována do programu EURATOM. V jeho rámci existuje intenzivní výzkumná spolupráce s pracovišti ve Francii, Rakousku, Belgii, Itálii, Velké Británii,
Švýcarsku, Německu, Maďarsku, Portugalsku, Bulharsku a mimo rámec EURATOM i např. s Gruzií a Ruskem.
Zástupci ÚFP coby členové evropské skupiny pro popularizaci fúze Public Information Net v rámci EFDA dlouhodobě spolupracují na popularizaci fúze v Evropě a především v České republice. Bohatá popularizační činnost (knížky, plakáty,
skládačky, překlady, videa, výstavy, rozhlas a televize, dny otevřených dveří, kulaté
stoly, internet, přednášky) je zaměřena na středoškolské studenty, ale i na širokou
veřejnost.
ÚFP byl partnerem dvouletého (2012–2014) projektu Materiály pro nové tisíciletí, v němž byl garantem fúzní části projektu směřujícího k popularizaci technických oborů mezi žáky základních škol, studenty středních škol a bakaláře. Nositelem projektu byly Vítkovice – výzkum a vývoj – technické aplikace, a. s.
Úspěchem popularizace fúze v ÚFP je mnohaletá spolupráce s bývalým poslancem Evropského parlamentu Vladimírem Remkem, který coby člen výboru ITER
prosazoval zájmy ITER v Evropském parlamentu. Zcela ojedinělým, světově unikátním počinem je didaktická pomůcka – stavebnice tokamaku (ÚFP AV ČR, Pro
Model Průhonice, foto na obálce autor).
Mezi nejvýznamnější výsledky vědecké činnosti ústavu patří např:
možnosti technologických aplikací laserem vytvářených plazmových jetů;
vliv umístění vstřiku plynu na vazbu dolně hybridní vlny v tokamaku JET;
modelování pinčujícího kapilárního výboje pro návrh XUV zdroje záření;
synchronizace 1kHz Ti-Sa laserového systému Legend s jodovým laserem.
•
•
•
•
Motto:
K dosažení termojaderných teplot je třeba z 20 % kvalitní ohřev a z 80 % kvalitní politici.
Milan Řípa
„Jak ten člověk dokázal překonat všechny překážky?“ Einstein: „Nevěděl o nich!“
„Když slézáte horu, tak pokud nejste na samém vrcholku, nemůžete říci, že jste v cíli!“
Lyman Spitzer
„Termojaderná energie bude, až ji společnost bude potřebovat!“
Lev Andrejevič Arcimovič
V edici Věda kolem nás připravujeme:
Václav Cílek: Nové počasí
Jan Bartáček: Akademie věd ČR pro mladou generaci
Adam Doležal: Bioetika
K. Balík, T. Suchý: Biokompozitní náhrady kostní tkáně
Dosud vyšlo:
Pavel Peterka: Vláknové lasery
František Kaštánek: Biorafinace
Ondřej Kučera: Elektromagnetická pole živých buněk
Edice Věda kolem nás | Co to je…
Historie výzkumu řízené termojaderné fúze | Milan Řípa
Vydalo Středisko společných činností AV ČR, v. v. i., pro Ústav fyziky
plazmatu Akademie věd ČR, v. v. i., Za Slovankou 3, 182 00 Praha 8.
Grafickou úpravu a obálku navrhl Jakub Krč, studio Lacerta.
Technická redaktorka Monika Chomiaková. Odpovědná redaktorka
Petra Královcová. Vydání 1., 2014. Ediční číslo 11759.
Sazba a tisk Serifa®, s. r. o., Jinonická 80, 158 00 Praha 5.
Další svazky získáte na:
www.vedakolemnas.cz | www.academiaknihy.cz | www.eknihy.academia.cz